近五六年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)變壓吸附制氮技術(shù)的不斷成熟，其使用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，從開始的煤炭系統(tǒng)的井下氮封滅火、機(jī)電系統(tǒng)的氮氛氣熱處理、化工系統(tǒng)的原料加工提純氮封保護(hù)，到食品工業(yè)的食品果品保鮮、啤酒業(yè)的替補(bǔ)二氧化碳?xì)獾牟蛔愕?，并皆受到了用戶的歡迎。為了讓更多的用戶了解變壓吸附制氮技術(shù)并使用變壓吸附制氮裝置，本篇就變壓吸附制氮裝置的設(shè)計(jì)、調(diào)試中出現(xiàn)的故障及使用中須注意的問題作一簡(jiǎn)述。
1變壓吸附制氮裝置的工作原理
變壓吸附制氮裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)是變壓吸附理論。吸附的基體為各類吸附劑，如：鋁膠、硅膠、活性炭及分子篩。在變壓吸附制氮裝置當(dāng)中，吸附劑大多采用各類分子篩(沸石分子篩、碳分子篩)，各類分子篩有其吸附的特定選擇性，如制氮吸氧常采用3A碳分子篩，而吸附H20、C02多選用13X沸石分子篩。變壓吸附制氮裝置的工作原理：潔凈的帶壓空氣(氧氮混合氣)通過(guò)某種碳分子篩，其中的大部分氧氣及剩余的微量水分被分子篩吸附，氮?dú)鈩t未能被吸附而排放出來(lái)，此為吸附制氮階段。而在壓力減低為大氣壓或負(fù)壓下，分子篩吸附氧的能力下降則解析出其在受壓狀態(tài)下所吸附的氧、水，此為解析再生(制氧)階段。解析后的分子篩又可以進(jìn)行下一周期的吸附制氮階段，循環(huán)反復(fù)，從而得到一定純度氮?dú)?，同時(shí)得到一定純度的富氧空氣。
2設(shè)計(jì)
根據(jù)變壓吸附技術(shù)，按照不同用戶的不同需要，設(shè)計(jì)制造出多種不同技術(shù)性能參數(shù)的變壓吸附制氮裝置。下面以石化系統(tǒng)某廠用于加氫白油工程的200m3／h、純度99.9%的制氮裝置為例(工藝流程見圖2)，對(duì)有關(guān)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。2.1裝置主要技術(shù)參數(shù) 氮?dú)猱a(chǎn)魚：200m3／h(20℃、0.1MPa絕壓)；氮?dú)饧兌龋?/span>99.9%(含氧量小于0.1%)；氮?dú)夤?yīng)壓力：0.6MPa。2.2分子篩的選擇及量的確定根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)、各分子篩的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及裝置所要求的技術(shù)參數(shù)，該裝置選用德國(guó)BP公司的最新185型碳分子篩，其某工況下的性能數(shù)據(jù)：(1)整體密度：610~630g／1；(2)平均顆粒直徑：2.3~2.5mm；(3)PSA產(chǎn)氮量：99.9%N2時(shí)，大于115m3／h·t；(4)PSA提取率：大于27%N2／空氣。
以上幾個(gè)方面的數(shù)據(jù)對(duì)加工空氣的壓力、露點(diǎn)、含油量皆有一定的要求。選用BF分子篩的理由為：如采用國(guó)產(chǎn)分子篩則所需分子篩量相應(yīng)較大，所配置的吸附筒容積也相應(yīng)增大，而且單級(jí)吸附也較難達(dá)到所需純度要求。參照分子篩的有關(guān)參數(shù)，通過(guò)比照就可以確定在所需壓力0.6MPa、純度99.9%N2時(shí)所配備的分子篩量Q1。
2.3空氣壓縮系統(tǒng)、冷干機(jī)系統(tǒng)的確定由于分子篩對(duì)加工空氣的壓力、露點(diǎn)、含油量皆有較高的要求，因此常選用無(wú)油潤(rùn)滑空壓機(jī)或油潤(rùn)滑空壓機(jī)加多級(jí)油霧過(guò)濾器來(lái)保證對(duì)含油量的要求；選用冷干機(jī)來(lái)保證其對(duì)空氣的露點(diǎn)要求。在該裝置中，采用無(wú)油潤(rùn)滑空壓機(jī)，其技術(shù)數(shù)據(jù)：加工空氣量10m3／h(Q2)、出口壓力0.8MPa。而冷干機(jī)所要求達(dá)到的壓力露點(diǎn)不大于5℃。
2.4吸附器系統(tǒng)的參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸附器系統(tǒng)是整套裝置的核心，其設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量直接影響到整套裝置的性能和壽命。而吸附器不同的參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，也有著其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如何達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，制造商務(wù)有不同的看法。
2.4.1吸附器的參數(shù)設(shè)計(jì)
①吸附器最小直徑D0的確定
吸附器的設(shè)計(jì)首先考慮的是吸附器的空塔速度V0，不同性能的吸附劑其允許的空塔速也各有差別。根據(jù)加工空氣量Q2與空塔速度V0就可以計(jì)算出吸附器最小直徑D0。
②吸附器容積V的確定
吸附器容積V由三部分組成：裝填分子篩Q1所需的容積V1，相關(guān)結(jié)構(gòu)件所占的容積V2以及其它緩沖、均布穩(wěn)定氣流所需的容積V3；即V=V1+V2+V3；其中V，由參數(shù)設(shè)計(jì)確定，V2、V3由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。
2.4.2吸附器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
①吸附器高徑比的確定
吸附器高徑比決定了吸附器是矮胖型還是細(xì)長(zhǎng)型。采用矮胖型低床層設(shè)計(jì)，分子篩利用率高，吸阻小，壓損少，而器體制造相對(duì)困難。采用細(xì)長(zhǎng)型高床層設(shè)計(jì)，吸阻大，但能使氣流沿吸附器軸向均勻擴(kuò)散達(dá)到等溫吸附，以及較高的純度吸附要求。
②吸附器數(shù)量的確定
吸附系統(tǒng)按吸附器的數(shù)量可分為單塔、雙塔及多塔系統(tǒng)，考慮到整個(gè)裝置的實(shí)際情況，如壓縮機(jī)供氣的經(jīng)濟(jì)性、排氣的連續(xù)性、所需設(shè)備的復(fù)雜程度以及制造成本的高低，常取雙塔和三塔流程，而雙塔流程在制氮裝置中尤為多見，其整個(gè)裝置包括兩只吸附器和一只緩沖容器。
③吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
吸附器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括床層的確定和各種輔助結(jié)構(gòu)，如上下過(guò)濾器、導(dǎo)流器、壓緊機(jī)構(gòu)、氣體均布器等的設(shè)計(jì)。吸附器通?？煞謫螌哟埠碗p層床，兩種結(jié)構(gòu)上下通氣口皆設(shè)有過(guò)濾器、氣體分布器。
單層床結(jié)構(gòu)在分子篩吸附劑上設(shè)有絲網(wǎng)孔板、氣缸壓緊裝置，在吸附器工作時(shí)，氣缸活塞受壓差產(chǎn)生一個(gè)下推力并通過(guò)絲網(wǎng)孔板把分子篩壓緊，避免了因氣流過(guò)大而造成的分子篩沸騰流化、過(guò)濾器絲網(wǎng)被沖擊破損現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)分子篩的壽命，保證吸附器的正常運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，在氣缸活塞允許的行程內(nèi)，能很好地克服分子篩沸騰粉塵現(xiàn)象。而雙層床結(jié)構(gòu)設(shè)置了雙層填料，在分子篩上部增添了壓緊填料，兩者之間通過(guò)絲網(wǎng)隔開，在吸附器工作時(shí)，依靠壓緊填料的重量壓緊絲網(wǎng)分子篩，同樣起到單層床壓緊裝置的作用，并不受以上所說(shuō)的行程限制，但該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)或裝配不當(dāng)?shù)那闆r下，運(yùn)行時(shí)中會(huì)發(fā)生中間絲網(wǎng)傾斜造成分子篩和壓緊填料相混合的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致分子篩的加劇磨損。
④動(dòng)作閥的選擇
雙塔流程當(dāng)中兩只吸附器的周期性交替工作，是通過(guò)由程序控制器控制的電磁(氣動(dòng))閥來(lái)完成的。由于切換周期短、閥的動(dòng)作頻繁，因此要求所選用的閥壽命在50萬(wàn)次以上，并且某些閥須有雙向通氣的功能。確定了閥的類型之后，再根據(jù)各閥所通過(guò)的氣量及一般所采用的流速確定該閥的通徑和規(guī)格。如該裝置選用了本公司自制的DN50、DN80、DNl00電磁氣動(dòng)蝶閥，壽命長(zhǎng)，密封性好。